6600萬年前那一天,恐龍遭遇的倒霉事不僅僅是滅絕
2019年07月25日10:04

  來源:科普中央廚房 | 北京科技報

  新媒體編輯/呂冰心  文/記者 丁林 編輯/丁林

  一顆小行星光臨地球的那天,恰是恐龍離開這世界的時候。但有不少證據顯示,那天恐龍們面對的倒霉事不止於此。它們究竟死於誰手?

  對恐龍愛好者來說,這是歷史上最悲慘的一天。

  對恐龍愛好者的白堊紀祖先來說,這是命運轉折性的一天。

  6600萬年前的那天,原本並沒有什麼不一樣。遠古北美洲大陸上,每種生物都在忙著自己的生計——甲龍、腫頭龍棲身在針葉林中,鴨嘴龍則更願意啃食開花植物的嫩葉。身形矯健的迅猛龍在追逐著老鼠大小的哺乳動物和蜥蜴。成群結隊的三角龍在河邊徜徉覓食,遠處躲藏在樹林里的霸王龍則在預備一場奇襲。

  但那個幾週前就出現在天上,彷彿一顆迷你太陽的奇怪球體,這天卻大得遮天蔽日,它的光芒籠罩了整個東南天空。

  毫無預兆地,無聲的黃色光芒閃過,讓所有原本忙碌的生物都愣在原地。到了它們的視野恢復正常時,天邊已不見了那個大球的蹤影,又是一片湛藍。

  回過神來的動物們剛要繼續自己的日常營生,又一道無聲的閃光無情地紮進了它們的視網膜。大地陷入了一片寂靜,原本活潑的遠古鳥類也停止了唧唧喳喳。

  但這種沉默僅僅持續了幾秒鍾。大地很快開始顫抖,繼而猛烈地搖動,最後竟變得像液體一樣流動了起來。一陣陣能量傳過腳下的土壤,動物們如篩糠般被反複拋向空中。幾分鍾之後,地面停止了顫抖。在一片狼藉的鮮血和屍骸間,倖存的生物各自哀嚎。

  從已經變為紅色的天空中,雨點落了下來。這些“雨點”實則是豌豆大小的灼熱玻璃和熔融的岩石。勉強活過大地震的生物,在這場密集的炮火襲擊中無處躲藏,紛紛倒地而亡。空氣逐漸變得火爐一般熾熱,樹木開始自發燃燒,野火四處蔓延,天空佈滿黑煙。

△圖片來源:視覺中國
△圖片來源:視覺中國

  15分鍾前還鬱鬱蔥蔥、充滿生機的森林和河穀,已經變成一所煉獄。警覺的哺乳動物和蜥蜴躲入地下,鱷魚和烏龜藏身水中,原始鳥類則飛往遠處。

  兩個多小時後,一切似乎又恢復了平靜,倖存的動物在四處探頭探腦的時候,天邊的黑煙開始擾動——它們還沒有反應的時間,一陣摧山裂石的狂風帶來了足以震碎鼓膜的巨響。幾秒鍾後傳來的另一聲巨響,它們未必能活著聽到……

  伴隨著那一聲巨響,許多物種長達1億5000萬年的演化努力化為烏有。

  伴隨著那一聲巨響,白堊紀結束,古近紀開始了。

  “龍”死誰手?

  隨便找身邊的一個人問問,恐龍是如何滅絕的?他們很可能會告訴你“標準答案”:小行星撞沒的。 如果他們對恐龍十分感興趣,可能還會告訴你,那個隕石坑的名字叫做“希克蘇魯伯”。

  一顆直徑至少10公里的小行星(或彗星,下文不再註明),以每小時約10.8萬公里的速度一頭紮進了如今墨西哥尤卡坦半島附近的淺海。這次撞擊釋放的能量,相當於10億顆廣島原子彈。第一次閃光是小行星進入大氣時劇烈擠壓前方空氣所致,第二道閃光則是撞擊產生。在猛烈的碰撞中,小行星本身被瞬間汽化,衝擊波則沿著地球表面、向著地球深處快速運動。聲波移動較慢,數個小時後才抵達北美洲內陸地區。

  這次小行星撞擊導致了所有恐龍(鳥類的祖先除外,下文不再註明)在內,75%地球物種的滅絕。其他大陸上,或許沒有北美洲那樣慘烈的場景,但大量的煤煙悄無聲息地隨風到達了地球的各個角落,長時間的“核冬天”讓其他生物無路可逃。

  龐然巨獸被從天而降的火球撞出了歷史舞台,誰不喜歡這樣的故事呢?這個假說從誕生起已經有將近40年歷史了,雖然在大眾眼裡已經證據確鑿,但它始終並非毫無爭議。

  1980年,諾貝爾獎獲得者、實驗物理學家Luis Alvarez和他的兒子、地質學家Walter Alvarez為首的團隊在《科學》雜誌發表了一篇驚人的論文。他們指出,全球範圍內,白堊紀和古近紀交界處的地層都有異常高含量的銥元素,這種異常似乎無法解釋。但銥這種元素在地殼中稀有,但在太空中十分豐富——這暗示了6600萬年前,白堊紀與古近紀交界之時,地球可能遭遇了一次猛烈的小行星撞擊。

  Alvarez父子還在論文中計算了小行星和對應隕坑的尺寸。撞擊假說很有說服力,但當年地球上沒有已知的,符合Alvarez父子預言的那種隕石坑。

  在隨後的數年中,不斷有人發現支援該假說的證據:符合小行星撞擊事件的“衝擊石英”和淚滴狀熔融玻璃拋射物(tektites)、墨西哥灣沿岸的海嘯沉積物等。這些證據產生的時間,經測定都在6600萬年前。

△正常礦石(左側)與“衝擊石英”微結構的區別。衝擊石英只在核試驗廢墟和隕坑內部被發現過(來源:usra.edu)
△正常礦石(左側)與“衝擊石英”微結構的區別。衝擊石英只在核試驗廢墟和隕坑內部被發現過(來源:usra.edu)

  直到1991年,科學家通過各種探測手段,終於在尤卡坦半島附近的海域確認了小行星撞擊產生的、直徑達180公里的隕坑。撞擊坑被深埋在墨西哥灣海底千百萬年的沉積層之下,因此人們此前從不知道它的存在。科學家根據發現點附近的小鎮地名,將其命名為希克蘇魯伯隕坑。

  白堊紀末期小行星撞擊這件事情,看來是板上釘釘的共識了,那麼它和恐龍滅絕事件,只是時間上的巧合,還是有直接的因果關聯?

  科學家迄今未在白堊紀之後的地層找到任何非鳥類恐龍化石(連腳印都沒有)。這表明恐龍在撞擊事件後沒能存活很長時間,它們的滅絕是突然的,毀滅性的。

△圖片來源:theatlantic.com
△圖片來源:theatlantic.com

  大量的證據讓研究者相信,小行星的撞擊至少和白堊紀大滅絕有一定的聯繫,但直接的證據一直沒有被找到。離撞擊點最近的區域,所有的生物都在瞬間被汽化,因此根本不會留下化石證據;離撞擊點更遠處發現的化石,又如何和“那一天”掛上鉤呢?

  爭議科學家完美還原“那一天”

  今年3月底,《美國科學院學報》(PNAS)發表的一篇論文引起了熱議。該論文介紹了位於美國北達科塔州“地獄溪”生物組的一處化石發掘現場——這裏很可能真實記錄了小行星撞擊地球那天所發生的事情。

  這項研究的帶頭人Robert DePalma現年37歲,一邊在攻讀堪薩斯大學的古生物博士,一邊身兼佛羅里達州棕櫚灘自然歷史博物館的古脊椎動物館長。DePalma將這個發掘現場命名為Tanis,這個字眼取自電影《奪寶奇兵》中埋藏法櫃的古埃及城市。

  △Walter Alvarez 與Robert DePalma 在考察Tanis 挖掘點(來源:manchester.ac.uk)

  Tanis距離小行星撞擊點3500多公里。如今這裏位於北美洲內陸,但在白堊紀末期,這裏是一片河床,這條河則彙入了將北美洲分為東西兩個陸塊的淺海“西部內陸海道”(Western Interior Seaway)。

  Tanis的沉積層中點綴著許多砂礫大小的熔融玻璃珠砸出的小坑,它們顯然不是水流衝刷至此,而是從天而降。不少玻璃顆粒還位於魚類的鰓中。DePalma團隊分析了這些顆粒的地質化學成分,結果吻合6600萬年前的那次撞擊事件,表明這些顆粒不是另一次時間上相近的隕星撞擊或火山噴發形成的。

  厚度1.3米的Tanis沉積層,內部埋葬著本不該出現在河流中的大量植物碎片、海洋魚類殘骸,上方覆蓋著富含銥元素的土層——也就是說,這個沉積層直接記錄了撞擊發生的數個小時內,距離撞擊點3000多公裡外發生的事情。

△小行星撞擊產生的地震波,沿著美洲中央的淺海快速到達“地獄溪”(來源:nytimes.com)
△小行星撞擊產生的地震波,沿著美洲中央的淺海快速到達“地獄溪”(來源:nytimes.com)

  分析Tanis沉積層之前和之後的地層,都表明遠古的河流是向南流向遠古海洋的。但在Tanis沉積層形成期間,水流向北逆行,並且流速極快。此外,保存十分完好的海洋魚類、軟體動物和淡水魚類的化石在該沉積層中擠在一起。DePalma原本認為,是隕星衝擊引起的劇烈海嘯將這些海洋魚類逆流衝到了河床中,和淡水魚類混在一起並迅速埋葬。

△圖片來源:bbc.co.uk
△圖片來源:bbc.co.uk

  但是,隕石撞擊形成的熔岩玻璃珠落下的時間應該在衝擊之後十幾分鍾——但海嘯的速度是無法在十幾分鍾內穿越幾千公里的。該團隊最終提出,一種由傳播速度更快的地震波引發的水體共振“假潮” (seiche)或許可以解釋這一現象。2011年的日本東北地震,就曾引發地球另一端的挪威湖泊發生1.5米高的假潮。

  該發現是目前為止首個記錄小行星撞擊對生物影響的直接證據。但這個發現也像一顆小行星,在科學界砸出了軒然大波。

  許多科學家對該研究的發表感到高興,比如1991年參與發現希克蘇魯伯隕坑的研究者之一David Kring。

  但是其他的一些科學家則並不是那麼買賬,因為DePalma從該發掘點得出的大量驚人理論,都是借記者Douglas Preston之筆首先發表在《紐約客》雜誌的文章《恐龍死去的那一天》中。該文中,只有一部分結論發表在有同行評議的學術刊物《美國科學院學報》上。其他有關Tanis中埋葬的恐龍化石、羽毛、琥珀、哺乳動物洞穴的發現,並未經過同行評議。Preston在文中寫到:“我拜訪過許多古生物挖掘點……大多數挖掘都無聊得很,幾天或幾星期過去也收穫寥寥。DePalma似乎每隔半小時就能挖到個新發現。”

△Tanis發掘現場的一塊地層樣本(來源:《紐約客》)
△Tanis發掘現場的一塊地層樣本(來源:《紐約客》)

  這種有悖學術常規的“炫富”行為只是引起爭議的一個方面。DePalma本人那些老黃曆,大概也是許多同行對他的結論保持謹慎的原因之一。2015年,DePalma團隊在發表於《美國科學院學報》的另一篇學術論文中,描述了一個新的恐龍屬“達科塔盜龍”(該化石的出土地點就在Tanis附近)。但有古生物學家很快發現,重組的化石骨架中居然有一塊龜類的骨骼化石。

  雖然他們很快發佈了修正,但這次事件讓DePalma的聲譽大受損傷。此外,他積極向私人化石收藏者銷售恐龍化石複製品的行為也讓同行們感覺此人動機不純、人品可疑。

  不過,研究團隊成員之一、英國曼徹斯特大學的古生物學家Phillip Manning接受《科學》新聞採訪時表示,他們所描述的化石是可以公開被研究的,“人們如此快地否定一項研究,讓我感到寒心。”Manning解釋,他們的第一篇文章只是對Tanis數據的初步分析。他們原本將論文投給了影響因子更高的某學術期刊,但同行評議返回的修改意見太過苛刻,他們覺得繼續糾纏不太值得,於是將文章改投《美國科學院學報》,並迅速獲得了發表。

  Manning還透露,他們有數篇論文正在發表流程中,其中一些論文描述的正是《紐約客》文章中提到的,埋葬在Tanis沉積層中的恐龍化石。

△DePalma宣稱在Tanis發現了大量保存完好的新物種化石。他在堪薩斯大學的博士論文導師David Burnham表示,Tanis挖掘點夠專家們忙上50年的了(來源:《紐約客》)
△DePalma宣稱在Tanis發現了大量保存完好的新物種化石。他在堪薩斯大學的博士論文導師David Burnham表示,Tanis挖掘點夠專家們忙上50年的了(來源:《紐約客》)

  美國阿拉巴馬大學的地質學家Thomas Tobin說,“我目前沒有100%被說服,但我希望這一切都是真的。”Tobin解釋到,那篇《美國科學院學報》論文中堆積了大量古生物學、沉積學、地質化學的細節,但“沒有人會同時精通所有這些學科。”因此,這項驚人的發現還需要更多的時間,等待被廣泛探討和進一步消化。

  另一些科學家則表示,能夠以如此精度還原“那一天”固然非常震撼人心,但一個化石埋藏地所講述的故事,無論多麼生動、多麼有說服力,也無法回答全球範圍內,生物大滅絕如何發生的問題。

△Tanis挖掘點局部航拍(來源:堪薩斯大學)
△Tanis挖掘點局部航拍(來源:堪薩斯大學)

  隕星衝擊只是巧合?

  雖然“隕星撞擊造成大滅絕”如今成為主流意見,但其他觀點並未消失。

  研究者將歷史上的大滅絕事件與已知的隕石撞擊事件進行了對比,發現時間上並不太吻合。他們發現,與多次大滅絕事件在時間上最吻合的,是劇烈的火山活動。其實,早在1980年代就有科學家指出,印度西部的劇烈火山活動,在隕石撞擊之前就已經埋下了大滅絕的種子。

  6600萬年前,印度板塊還在如今馬達加斯加的位置,該區域內的火山活動十分劇烈。今天位於西印度的德干高原上,如今地表上最大型的火山地形之一“德干暗色岩”(Deccan Traps) 就是那時開始形成的,德干暗色岩總面積達50萬平方公里(接近法國陸地面積),有些地方厚達2公里。

△德干暗色岩的當代位置(來源: earthmagazine.org)
△德干暗色岩的當代位置(來源: earthmagazine.org)

  在白堊紀滅絕之前發生的二疊紀、三疊紀生物大滅絕,都與大規模火山運動的時間相吻合。德干暗色岩的火山爆發始於小行星撞擊前40萬年,止於小行星撞擊之後60萬年——既然白堊紀滅絕同時與一場劇烈火山活動和小行星撞擊事件的時間重疊,有什麼理由認為小行星是唯一的罪魁禍首呢?

  今年2月同時發表於《科學》的兩篇論文也發現,德干暗色岩火山活動最高峰的時期,與如今對小行星撞擊最精確的估計時間(6605.2±0.8萬年前,)相距最多不超過5萬年。此外,至少有一半的岩漿是在小行星撞擊之後爆發的。二者會不會有什麼聯繫?

  加勒比海的小行星撞擊和印度洋上的火山活動,看似是八竿子打不著的無關聯事件。但在行星科學家看來,這種聯繫並不是不可能的。

  水星上的“卡洛里盆地” 直徑約1550公里,是太陽系中已知最大的撞擊坑之一。卡洛里盆地在水星上的相對一側,科學家發現了大量的丘陵與凹陷——這個稱為“古怪地形”(Weird terrain)的破碎地區,被認為是隕星劇烈撞擊產生的衝擊波,在水星另一側會合的結果。

△“卡洛里衝撞”可能在水星的另一側造成了破碎地形(來源:explanet.info)
△“卡洛里衝撞”可能在水星的另一側造成了破碎地形(來源:explanet.info)

  小行星撞擊將如何影響德干暗色岩的火山活動?具體的機製科學家目前還無法明確。但2017年發表於《科學進展》的一項研究發現,在印度發生劇烈火山活動的同時,印度洋和太平洋海底的洋中脊火山活動也明顯增加。這些海底火山活動的環境影響可能無法與德干暗色岩相提並論,但“全球範圍內火山活躍度增加”這個事實,暗示了小行星撞擊對火山活動的影響可能是真實的。

  第二種情況是,火山活動增加和隕石撞擊事件確實只是巧合地接連發生了——火山活動削弱了地球上的生態系統,隕石撞擊則是雪上加霜。但在上述的情況中,要說德干暗色岩對恐龍滅絕完全沒有影響,恐怕不太合理。

  話說回來,為什麼其他遠古隕星撞擊事件並沒有同樣的生態毀滅能力?研究者發現,這顆小行星撞擊的位置有點不偏不倚——2017年,日本東北大學的科學家指出,希克蘇魯伯撞擊坑區域的岩石富含硫酸鈣和碳氫化合物。如果小行星遲到或早到一段時間,砸到深海區域或岩石化學成分不同的地方,也不會造成同等程度的氣候災難。

△鑽探希克蘇魯伯隕坑的海上科研平台(來源:purdue.edu)
△鑽探希克蘇魯伯隕坑的海上科研平台(來源:purdue.edu)

  這項發表於《科學報告》的研究通過計算機模擬發現,小行星撞擊該區域產生的煤煙細顆粒物被拋進高空後,將長期穩定存在於平流層中遮擋陽光,產生類似“核冬天”的災難。有毒的含硫化合物被大量釋放,隨之形成的酸雨將進一步毒害陸地和海洋生態系統。

  恐龍已經在走向滅亡

  眼下還未發表的Tanis沉積層恐龍化石記錄,或許可以直接證明:至少一部分恐龍活著見證了行星撞擊地球的那個災難時刻。

  不過6600萬年前同時期發生劇烈火山活動、小行星撞擊、生物大滅絕三個事件,會不會純屬(小概率的)巧合?當時的長期氣候變冷、海平面下降、板塊構造變化、被子植物崛起等其他事件,也可能讓恐龍在小行星撞擊之前就走向衰落。

  2016年,英國布里斯託大學的Michael Benton團隊在《美國科學院學報》發表了一項相關研究。他們收集了迄今為止最詳盡的數據,建立了包含600多個物種的恐龍演化樹。研究者發現,恐龍的整體演化主要發生在三疊紀末期到侏儸紀早期。而在大滅絕前長達4000萬年的時間里,除了鴨嘴龍和角龍類還在發生新的演化,其他族群的物種滅絕速度都超過了新物種生成的速度。

△從整體來看,恐龍的新物種生成(speciation)在白堊紀已經走起了下坡路(來源:pnas.org)
△從整體來看,恐龍的新物種生成(speciation)在白堊紀已經走起了下坡路(來源:pnas.org)

  也就是說,在小行星撞擊甚至印度火山活動發生之前,恐龍在整體上可能表現出欣欣向榮,但適應災難事件的能力實則在走下坡路。研究者認為,即使沒有行星撞擊事件,當時已經發生的其他環境變化也會導致恐龍在距今5000萬~4000萬年時走向滅絕。這顆小行星只是給了恐龍們更加華麗的謝幕而已。

  這個理論或許也能解釋,為什麼小行星撞擊事件在造成75%物種滅絕的前提下,對恐龍族類尤其殘酷——在滅絕發生的時候,它們無法迅速產生新的物種來替代舊物種的空缺,而原本處於食物鏈底端、身材矮小的雜食動物成功挨過了最艱難的時期。

  伴隨一聲巨響,生命的演化樹上,一個枝葉繁茂的分支轟然折斷。但以哺乳動物和鳥類(恐龍後裔)為代表的演化力量,悄悄開始了新的萌芽。

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